聚焦2010年度《分析化學》微流控芯片分析發展和應用

摘 要 對《分析化學》2010年度有關微流控芯片分析技術作了分類，評述了各種分析技術的特點與應用情況，并與國外

SymbolmA@ TAS發展的整體趨勢進行了對比。

關鍵詞 微流控芯片； 評論

1 微流控芯片分析技術研究整體概述

集多學科交叉的微型全分析系統（

SymbolmA@ TAS）首先由Manz等科學家在20世紀90年代初提出，現又被稱為“芯片實驗室（Labonachip）”。國內相關研究中更多采用方肇倫先生提出的“微流控芯片分析（Microfludic chip analytical systems）”概念。該領域的發展非常迅猛，據統計相關文獻在多領域眾多雜志上均有發表，過去十年中發表的相關論文約10000篇，尤其是在高影響因子的Nature，Science，PANS，Anal. Chem.和Lab Chip等雜志上發表的文章影響較大，同時，在美國申報的

SymbolmA@ TAS相關專利已超過1000件，且一直呈現上升趨勢。與此同時，國內相關研究多緊跟國際發展步伐，在多個領域都有所涉及。值得注意的是，

SymbolmA@ TAS尚處于應用研發階段，盡管涉及面非常廣泛，但真正做到系統性、功能性和實用性的不多，商品化產品發展尚很緩慢。

2 國內微流控芯片分析技術研究現狀



在微流控芯片分析領域，國內研究在對傳統技術深度挖掘和對新技術快速追蹤基礎上，也在逐步形成了自身特色和優勢。《分析化學》2010年度刊載發表的有關微流控芯片分析技術的論文共11篇（表1）。按分析對象分類，包含：DNA[1，2，3]、蛋白質[4，5，6]、細胞[7，8]和小分子和離子[9，10，11]相關研究。按分析方法分類，包含：芯片電泳[1，2，4，10]、免疫分析[3，6，9]和其它[5，7，8，11]。

將一些新興分析測試原理和技術與微流控芯片結合，研發新型的微流控芯片分析技術和方法是其重要的創新方向和領域，國內學者在這方面進行了探索。唐飛等[11]基于微機電系統技術（Micro electro mechanical system， MEMS），研制了微型高場非對稱波形離子遷移譜（Highfield asymmetric waveform ion mobility spectrometry， FAIMS）傳感器芯片。設計了高場非對稱方波電源，可輸出最大頻率2 MHz，電壓峰峰值1000 V，占空比20%～50%連續可調的方波射頻電壓。以乙醇為實驗樣品，初步驗證和分析了方波射頻電壓幅值對FAIMS傳感器芯片性能的影響。姚輝璐等[8]針對中海貧血（地貧）紅細胞內部的物質變化的分析目標，建立拉曼光鑷微流控芯片自動化系統，該系統可收集β地貧紅細胞和正常紅細胞的拉曼光譜，并對其進行多元統計分析，實現了快速、準確、非損傷的全自動化檢測，為生物學的研究和醫學診斷提供新的研究手段。高志賢課題組[9]建立了一種基于高通量懸浮芯片技術同時檢測多種農獸藥殘留的新方法，整個檢測過程僅耗時1～2 h，基本滿足多種農獸藥殘留檢測的靈敏、特異、快速和高效的需求。上述研究雖處于起步階段，具有良好創意和特色，仍待深入化研發。

方波射頻電壓幅值對微型高場非對稱波形離子遷移譜傳感器芯片性能的影響

Effect of rectangular radiofrequency voltage amplitude on performance of a miniature highfield asymmetric waveform ion mobility spectrometric sensor chip

高場非對稱波形離子遷移譜

Highfield asymmetric waveform ion mobility spectrometric（FAIMS）

乙醇

Ethanol

檢測技術是微流控芯片分析系統的核心之一，國內外學者都極為關注如何提高方法的選擇性和靈敏度，在微管道中或在檢測體系中引入現有的納米探針、免疫體系、磁分離模塊、量子點等檢測技術是目前的研究熱點。尹東光等[6]通過制備表面帶氨基的核殼結構熒光納米粒子Ru（bpy）3/SiO2作熒光探針標記鏈霉親和素，應用于蛋白質微陣列芯片檢測HIV p24抗原，結果顯示，熒光強度與p24濃度呈良好的正相關性，檢出限為3.1

SymbolmA@ g/L，該探針可應用于高靈敏檢測的蛋白質微陣列芯片及熒光免疫分析等系統。毛紅菊等[3]采用納米金和磁珠探針芯片技術，對微量乙肝病毒DNA進行檢測，檢測靈敏度達到10～15 mol/L水平。檢測時間少于1.5 h，檢測結果與HBV DNA水平呈現較好的線性關系且無假陽性結果，該方法有望用于乙肝病人血清中HBV DNA的快速篩測及其它微生物基因檢測。在這一領域，國內相關研究相對較少，與國外的研究相比尚有差距。

基于傳統的微流控芯片分析技術，在芯片分析測試技術和方法上創新，以及與其它分析測試技術聯用，構建更趨實用化的芯片分析系統也是國內研究的一大特色。如：劉大漁等[1]依據待測DNA片段相對于上位及下位內標的遷移時間比例，采用tITPCGE芯片上瞬間等速電泳模式，提出了一種巧妙預測DNA長度的方法。他們還利用芯片電泳方法考察瞬間等速電泳篩分電泳偶聯分析的結果，分析發現自由溶液瞬間等速電泳有利于改善預濃縮和后續篩分電泳分離效果[7]。邱宗蔭等[4]采用蛋白質芯片與高效液相色譜和質譜的聯用技術（HPLCCHIPMS/MS），鑒定分析了非小細胞肺癌患者尿中Exosomes蛋白質組的表達差異。邊超等[5]研制了基于標準CMOS工藝和微加工技術的集成電位無標型免疫微傳感器，采用一次性柔性塑料片納米金測試試條，即可實現糖化血紅蛋白濃度與血紅蛋白濃度的簡便檢測，對糖化血紅蛋白和血紅蛋白檢測的線性范圍分別為4～24 mg/L和60～180 mg/L。余曉冬等[10]應用電泳中介微分析（EMMA）技術，構建了含碳纖維微電極的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片自由酶反應器，實現了葡萄糖（Glu） 的在線檢測。侯長軍等[7]對多種光學檢測方法在細胞研究中進行了綜述，討論了各種方法技術對細胞研究模型研究的適用范圍。3 發展趨勢

國內目前有較多單位的課題組從事

SymbolmA@ TAS研究，例如，國家納米研究中心、中科院大連化學物理研究所、浙江大學、復旦大學、武漢大學、重慶大學、東北大學等。他們在國際刊物上有較多的相關論文發表，相關研究水平較高。相對而言，國內發表的論文學術水準還顯得略遜一籌，尤其是論文被引情況尚不理想（文獻[1]有一次國際刊物引用，文獻[3]和[6]有兩次國內刊物引用，文獻[4]， [5]，[7]和[8]各有一次國內刊物引用）。

縱觀國內外

SymbolmA@ TAS發展的整體趨勢[12～17]，可以看到：（1）將一些新興分析測試原理和技術與微流控芯片結合，基于新原理的微流控芯片設計、制作、系統及其應用研究，是

SymbolmA@ TAS重要的創新方向和領域。如：拉曼光譜、離子遷移譜、表面聲波等芯片分析的出現，能夠實現更為快速、準確和高效的檢測，為生物學的研究和醫學診斷提供新的研究手段；（2）目前

SymbolmA@ TAS發展最為突出的應用領域是微流控分析在細胞生物學方面的研究和應用。如融匯了免疫技術和交流阻抗分析技術的細胞細菌芯片分析，又如將量子點、納米探針技術與微流控芯片分析技術結合來提高檢測靈敏度的研究等均取得突出成效；（3）在

SymbolmA@ TAS的技術研發方面，結合MEMS技術的芯片的設計和加工、表面修飾、光學檢測器的片上集成、微流體的控制、納米技術等的系統集成，是

SymbolmA@ TAS系統功能化、集成化和實用化的重要方面。如：微流控芯片從傳統的流體控制轉向單細胞的處理，不同材質的多維芯片結構設計，高集成度高通量的陣列式生化分析芯片及其應用等；（4）需大力開展

SymbolmA@ TAS技術的實用化研發。其中，許多內容也是我國相關領域研究人員尚需深入研究和開發的方向。國內

SymbolmA@ TAS研究在緊跟國外發展步伐的同時，尚需進一步注重源頭基礎性研究、尋求跨學科的實用性芯片的研發與突破。

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References

1 LIU DaYu，LIANG GuangTie，MO JianKun，ZHOU XiaoMian（劉大漁， 梁廣鐵， 莫建坤， 周小棉）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（1）: 15～20

2 LIU DaYu， LIANG GuangTie， LEI XiuXia， ZHOU Xiao Mian（劉大漁， 梁廣鐵， 雷秀霞， 周小棉）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（8）: 1100～1104

3 WANG Yi， MAO HongJu， ZANG GuoQing， Z HANG H ongLian， JIN QingHui， ZHAO JianLong（汪 毅， 毛紅菊， 臧國慶， 張宏蓮， 金慶輝， 趙建龍）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（8）: 1133～1138

4 DAI Yi， ZHANG Yan， QIU Feng， LI YanYan， QIU ZongYin（代 義， 張 淵， 邱 峰， 李艷艷， 邱宗蔭）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（3）: 325～331

5 BIAN Chao， XUE QianNan， SUN JiZhou， ZHANG Hong， XIA ShanHong（邊 超， 薛茜男， 孫楫舟， 張 虹， 夏善紅）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（3）: 332～336

6 YIN DongGuang， LIU BinHu， ZHANG Li， XIE ChunJuan， ZHANG Le（尹東光， 劉斌虎， 張 禮， 謝春娟， 張 樂）. Chinese J. Anal. Chem. （分析化學）， 2010， 38（8）: 1095～1099

7 HUO DanQun， LIU Zhen， HOU ChangJun， YANG Jun， LUO XiaoGang， FA HuanBao， DONG JiaLe， ZHANG YuChan， ZHANG GuoPing， LI JunJie（霍丹群， 劉 振， 侯長軍， 楊 軍， 羅小剛， 法煥寶， 董家樂， 張玉嬋， 張國平， 李俊杰）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（9）: 1357～1365

8 MAO LiHua， LIU JunXian， CHEN Ping， LIANG JianPing， WANG GuiWen， YAO HuiLu（毛麗華， 劉軍賢， 陳 萍， 梁建平， 王桂文， 姚輝璐）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（11）: 1578～1582

9 LIU Nan， SU Pu， ZHU MaoXiang， YANG ZhiHua， PAN XiuJie， WANG HongYong， CHAO FuHuan， GAO ZhiXian（劉 楠， 蘇 璞， 朱茂祥， 楊陟華， 潘秀頡， 王紅勇， 晁福寰， 高志賢）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（5）: 673～677

10 ZHONG HaiYan， ZHOU Jie， YU XiaoDong， CHEN HongYuan（仲海燕， 周 潔， 余曉冬， 陳洪淵）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（6）: 767～770

11 LI Hua， TANG Fei， WANG XiaoHao， ZHANG Liang， YANG Ji， WANG Fan， XU ChuLong， JI Tao， DING Li（李 華， 唐 飛， 王曉浩， 張 亮， 楊 吉， 王 帆， 徐初隆， 吝 濤， 丁 力）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學）， 2010， 38（11）: 1678～1682

12 SaliebBeugelaar， G B， Simone， G， Arora， A， Philippi， A， Manz， A. Andreas M. Anal. Chem， 2010， 82（12）: 4848～4864

13 Mark， D， Haeberle， S， Roth， G， Von Stettenz， F， Zengerlez R. Chem.Soc.Rev.， 2010， 39（3）: 1153～1182

14 Wang， L， Li， PCH. Analytica Chimica Acta， 2011， 687（1） : 12～27

15 Mosadegh B， BersanoBegey T， Park J Y， Burns M A， Takayama S. Lab Chip， 2011， 11（17）: 2813～2818

16 Ng A H C， Uddayasankar U， Wheeler A R. Anal Bioanal Chem．， 2010， 397（3）: 991～1007

17 Yu T， Martinez M M， Pappas D. Appl Spectrosc， 2011， 65（4）: 115～124



Focus on the Microfludic Chip Papers in Chinese Journal of

Analytical Chemistry in 2010

XU Yi*1，2，3， NI YaLan1，2， LI DongShun1，2

（1Chemistry and Chemical Engineering College； 2Defense Key Disciplines Lab of Novel Micronano Devices and

System Technology； 3International R D center of Micronano Systems and New Materials Technology，

Chongqing University， Chongqing 400030）



Abstract The research of miniaturization of total analytical system（

SymbolmA@ TAS）， also called as microfludic chip analysis， was multidisciplinary and developed rapidly in the recent years in China. This review focused on the published papers in this researching field on J. Chinese Anal. Chem. in 2010. Different techniques and methodology were classified and reviewed in details， and the developing prospective was also discussed.

Keywords Miniaturization of total analytical system（

SymbolmA@ TAS）; Microfludic chip analysis; Review

（Received 23 September 2011; accepted 2 November 2011）